Environ 2.6% de Canadiens souffrent du trouble affectif saisonnier (TAS), un syndrome caractérisé par des épisodes dépressifs cycliques à l’automne et l’hiver avec rémission naturelle au printemps ou à l’été. Même si l’origine de ce trouble demeure inconnue, le consensus général est que les gens atteints de TAS seraient plus vulnérables à la baisse de l’exposition lumineuse à l’automne/hiver ce qui pourrait entraîner un dérèglement de certains neurotransmetteurs (possiblement la sérotonine et/ou la dopamine). Or, ceux-ci sont impliqués dans la modulation de la sensibilité des photorécepteurs rétiniens. L’électrorétinogramme (ERG) permet de mesurer objectivement et de façon non invasive ces dérèglements neurochimiques rétiniens. Puisque la luminothérapie est le traitement de choix pour traiter les patients atteints de TAS et que son effet transige par la rétine et non la peau, il est possible d’évaluer le mécanisme biologique de ce traitement par l’ERG. Les objectifs généraux de cette thèse visent l’approfondissement des connaissances sur l’électrorétinogramme (ERG) au niveau circadien et méthodologique, l’évaluation de l’existence d’un patron saisonnier de la sensibilité rétinienne chez des patients atteints de TAS ainsi que des changements associés à l’utilisation de la luminothérapie. Le premier article évalue l’impact sur les enregistrement ERG photopique et scotopique de ne pas dilater les pupilles pharmacologiquement. Il est mentionné qu’il pourrait être possible, en recherche, d’effectuer un test ERG sans dilater les yeux si les intensités lumineuses augmentent et si le fond lumineux est adapté. Nous concluons également qu’en clinique, les intensités lumineuses standard ne permettent pas d’atteindre le plein potentiel rétinien. La seconde étude montre une corrélation entre la variation circadienne, telle que mesurée par l’ERG (matin et soiéer) et la concentration de mélatonine salivaire. Ces résultats précisent l’impact de la mélatonine sur la vision diurne et nocturne, amenant des répercussions sur les protocoles d’ERG en recherche. Finalement, la troisième étude montre l’existence d’un patron saisonnier de la sensibilité rétinienne chez gens atteints de TAS et des changements à l’ERG associés à l’effet thérapeutique de la luminothérapie. Cette étude est la première à évaluer avec l’ERG la sensibilité rétinienne (cônes et bâtonnets) chez des patients atteints de TAS en plus de démontrer un effet biologique de la luminothérapie sur les fonctions rétiniennes. Un nouveau modèle neurochimique est proposé suite à ces découvertes. / About 2.6% of Canadians suffer from Seasonal Affective Disorder (SAD), a syndrome characterized by cyclic depressive episodes occurring during fall and winter with remission in spring and summer. Although the etiology of SAD is unknown, the general consensus is that SAD patients could be more vulnerable to the decrease in light exposure in the fall/winter which could trigger some neurotransmitter dysregulation (possibly serotonin and/or dopamine). In the retina, these neurotransmitters are implicated in the modulation of photoreceptor sensibility. The electroretinogram (ERG) allows a direct and objective measure of these retinal dysregulations. Since light therapy (LT) is the treatment of choice for SAD and the therapeutic effect of LT appears to be mediated through the eyes and not the skin, it is possible to investigate the biological mechanism of LT using the ERG. The aim of this thesis is to better understand the circadian and methodology of electroretinogram (ERG) and evaluate the existence of a seasonal pattern in retinal sensitivity in SAD patients as well as the impact of LT. The first paper assesses the impact of photopic and scotopic ERG recording in a non pharmacologically dilated eyes. We report that it may be possible in research practice to perform ERG without dilating the eyes if the intensity of the flash is increased along with the adapting background. We also concluded that in clinical practice, the current standard flash is not adequate to yield to an optimal retinal stimulation. The second paper shows a correlation between diurnal variations (morning Vs evening) in retinal function and the presence of melatonin secretion in the saliva. These results bring precision of the impact of day versus night vision on the ERG response which could have some impact in research practice. Finally, the third paper demonstrates a seasonal pattern in retinal sensitivity in SAD patients and ERG changes associated with the therapeutic effect of LT. This study is the first to investigate cone and rod functions in SAD patients with the ERG as well as to report a biological effect of LT on retinal function in SAD patients. A the end, a new neurochemical model is proposed.

Tableau d’honneur de la Faculté des études supérieures et postdoctorales, 2012-2013. / Cette étude vise à comprendre les facteurs impliqués dans la liaison membranaire de la recoverine, une neuroprotéine sensible au calcium jouant un rôle dans le processus de phototransduction visuelle des photorécepteurs. Il est connu que la liaison de 2 ions calcium par les motifs EF-Hand de cette protéine entraîne l'extrusion de son groupement myristoyle et ainsi, son recrutement aux membranes et l'inhibition de la protéine qu'elle régule. La spectroscopie infrarouge à transformée de Fourier et la spectroscopie de résonance magnétique nucléaire des solides ont été utilisées afin d'étudier le rôle méconnu de la composition membranaire des photorécepteurs sur la liaison de la recoverine, en plus du rôle du calcium et de la N-myristoylation. Les résultats obtenus suggèrent que la présence de calcium ainsi que de membranes insaturées favorisent significativement à la fois la stabilité structurale de la recoverine et l'insertion de son groupement myristoyle dans les membranes.

Le trouble affectif saisonnier (TAS) est une pathologie fréquemment retrouvée dans les latitudes nordiques et se caractérise par une baisse de l'humeur à l'automne et à l'hiver avec rémission au printemps et à l'été. Bien qu'environ 2,6 % de la population canadienne serait touchée par le TAS, l'origine de ce syndrome demeure inconnue. Il existe toutefois un lien clair entre la diminution de la photopériode à l'automne et à l'hiver et l'apparition des symptômes. L'augmentation de la photopériode au printemps conespond également à la disparition de ces mêmes symptômes. En raison de ce lien étroit avec la lumière, il n'est pas surprenant qu'un éventuel défaut au niveau de la rétine ait été suspecté puisqu'elle représente la première interface à entrer en jeu dans la transmission de l'information lumineuse au cerveau. Les objectifs généraux de cette thèse sont principalement d'étudier si des altérations des mécanismes rétiniens sont présentes chez les TAS, mais aussi de vérifier l'impact de certains contextes lumineux et de la mélatonine sur la rétine normale. Toutes les expérimentations ont été effectuées avec la technique d'électrorétinogramme (ERG).

L’ostéopétrose est une pathologie osseuse caractérisée par des os denses et fragiles principalement due à l’incapacité des ostéoclastes, cellules d’origine hématopoïétique, à résorber le tissu osseux. La forme la plus sévère de cette maladie génétique est l’ostéopétrose autosomale récessive infantile due à une mutation du gène Ostm1 (Protéine transmembranaire de type 1 associée à l'ostéopétrose). Le gène Ostm1 est exprimé principalement dans la lignée des cellules hématopoïétiques, mais aussi dans le système nerveux central et les mélanocytes. Cette mutation développe plusieurs symptômes comme l’apparition d’une couleur de pelage gris chez la souris, une anémie sévère, une sensibilité aux infections et des troubles neuronaux chez l’homme et la souris. Afin de mieux comprendre cette maladie, nous avons généré des souris transgéniques sur un fond génétique grey-lethal (gl) dans lesquelles l’expression d’Ostm1 est ciblée à un tissu spécifique. Nous avons caractérisé le gène Ostm1 responsable de la mutation ostéopétrotique spontanée gl chez la souris. La complémentation fonctionnelle des défauts hématopoïétiques a été obtenue dans les souris transgéniques PU.1-Ostm1-gl/gl mais ces souris meurent prématurément avec une neurodegénérescence sévère. Cette perte cellulaire affecte le système nerveux central dans son ensemble incluant la rétine. Ce mémoire porte sur le but d’établir le profil d’expression du gène Ostm1 dans la rétine puisque la perte du gène entraine une dégénérescence rétinienne. Pour définir le rôle d’Ostm1 dans la rétine, nous avons caractérisé son expression dans ce tissu (organe). Des analyses PCR, démontrent une expression d’Ostm1 dans l’œil total et enrichie dans la neurorétine et dans l’épithélium pigmentée (RPE). Après avoir caractérisé avec des marqueurs protéiques spécifiques les sous populations cellulaires de la rétine, in situ hybridation détecte l’expression préférentielle d’Ostm1 dans l’épithélium pigmentée (RPE) et la couche nucléaire interne (INL). Basé sur ce profil d’expression, nous avons induit dans un premier temps la perte de fonction d’Ostm1 spécifiquement dans le RPE. Dans un premier temps nous avons vérifié que l’expression de la recombinasse Cre seule n’est pas toxique. Nous avons ensuite induit la perte d’expression d’Ostm1 dans ces cellules et démontré que la perte d’Ostm1 dans le RPE se traduit par une perte graduelle des photorécepteurs avec l’âge. Ces résultats préliminaires suggèrent que l’expression post-natale d’Ostm1 dans le RPE est essentielle au maintien de l’homéostasie des photorécepteurs dans la rétine. / Osteopetrosis is a disease characterized by high bone density and fragility principally caused by impaired activity of osteoclasts, which are cells that reside in bone and dissolve bone tissue. The most severe form of osteopetrosis is infantile autosomal recessive osteopetrosis (ARO) which is caused by mutations in genes Ostm1. As Ostm1(osteopetrosis-associated transmembrane protein 1) is expressed in multiple hematopoietic stem cell lineages, melanocytes and the nervous system, mutations in Ostm1 can cause coat color change in mice as well as bone fragility, anemia, infections and neuronal disorders in humans and mice. To further the understanding of these conditions linked with Ostm1 loss, multiple tissue specific Ostm1 transgenic mice over an Ostm1 knockout (gl/gl) background were constructed. To better understand this disease, we characterized the Ostm1 gene responsible for the spontaneous osteopetrotic mutation grey- lethal (gl) in mice. Functional complementation of hematopoietic defects was obtained in PU.1-Ostm1-gl/gl transgenic mice, but these mice die prematurely with severe neurodegeneration. This indicates that Ostm1 has a crucial role in neuronal and retinal health. As a result, we wished to establish an expression profile of Ostm1 in all the layers of the retina to further decipher the role of Ostm1 in the retina. Polymerase chain reaction (PCR) of reverse-transcribed mRNA of separated sections of the eye demonstrate that Ostm1 is expressed in the whole eye, neuroretina and retinal pigmented epithelium (RPE). Further specific expression analyses were performed by in- situ hybridization which showed that Ostm1 is expressed specifically in the inner nuclear layer of the neuroretina as well as in the RPE. Based on this tissue expression pattern, we have constructed, for the first time, an RPE specific knockdown of Ostm1 expression and verified that the expression of Cre recombinase in this tissue is not toxic. The reduction of Ostm1 in the RPE of the eye resulted in gradual loss of photoreceptors of the retina. These preliminary results suggest that the post-natal expression of Ostm1 in the RPE is essential for maintaining the homeostasis of the photoreceptors of the retina.

Bien qu'ayant suscité des recherches depuis 30 ans, le problème de la reconnaissance de visages en contexte de vidéosurveillance, sachant qu'une seule image par individu est disponible pour l'enrôlement, n'est pas encore résolu. Dans ce contexte, les deux dés les plus diciles à relever consistent à développer des algorithmes robustes aux variations d'illumination et aux variations de pose. De plus, il y a aussi une contrainte forte sur la complexité en temps et en occupation mémoire des algorithmes à mettre en oeuvre dans de tels systèmes. Le travail développé dans cette thèse apporte plusieurs avancées innovantes dans ce contexte de reconnaissance faciale en vidéosurveillance. Premièrement, une méthode de normalisation des variations d'illumination visant à simuler les performances de la rétine est proposée en tant que pré-traitement des images faciales. Deuxièmement, nous proposons un nouveau descripteur appelé POEM (Patterns of Oriented Edge Magnitudes) destiné à représenter les structures locales d'une image. Ce descripteur est discriminant, robuste aux variations extérieures (variations de pose, d'illumination, d'expression, d'âge que l'on rencontre souvent avec les visages). Troisièmement, un modèle statistique de reconnaissance de visages en conditions de pose variables, centré sur une modélisation de la manière dont l'apparence du visage évolue lorsque le point de vue varie, est proposé. Enn, une nouvelle approche visant à modéliser les relations spatiales entre les composantes du visage est présentée. A l'exception de la dernière approche, tous les algorithmes proposés sont très rapides à calculer et sont donc adaptés à la contrainte de traitement temps réel des systèmes de vidéosurveillance.

Pour comprendre comment les gènes du développement exercent de multiples fonctions temporelles, nous prenons comme modèle le facteur de transcription Otx2. Celui-ci est impliqué dans la gastrulation, le développement de l'œil, du système olfactif, de la glande pinéale, du thalamus et de la région cranio-faciale. Dans la rétine adulte, deux tissus distincts expriment Otx2 : l'épithélium pigmenté (RPE) et la rétine neurale, contenant les photorécepteurs. L'ablation globale du gène Otx2 entraîne la dégénérescence exclusive des photorécepteurs alors qu'elle modifie l'expression de gènes surtout dans le RPE. Ces faits suggèrent un mécanisme non autonome, confirmé par des expériences de gain et perte de fonction restreintes au RPE. Pour approcher les fonctions de la protéine Otx2 dans la rétine neurale et le RPE, une étude à grande échelle de ses cibles génomiques a été menée. Les profils distincts d'occupation du génome du RPE et de la rétine neurale suggèrent des fonctions différentes d'Otx2. Dans la rétine neurale, ce profil est très proche de celui du facteur paralogue Crx, indiquant une redondance fonctionnelle entre Otx2 et Crx. Nous avons émis l'hypothèse qu'une combinatoire de partenaires protéiques différents permet de moduler l'action d'Otx2 en sélectionnant des cibles génomiques distinctes. Pour identifier cette combinatoire in vivo et la corréler aux fonctions exercées par Otx2, nous avons créé une lignée de souris exprimant une protéine de fusion Otx2-TAP-tag à un niveau physiologique. Cet outil permettra la purification des complexes protéiques Otx2 in vivo et leur identification par analyse protéomique.

Les nétrines sont une petite famille de protéines de guidage axonal qui peuvent attirer des axones ou en repousser d’autres lors du développement neuronal. Lors du développement de la rétine, les axones des cellules ganglionnaires de la rétine (CGR) sont attirés vers une source de nétrines au niveau du disque optique leur permettant de quitter la rétine et de former le nerf optique. Afin de pouvoir caractériser le rôle des nétrines dans le système visuel adulte, nous avons investigué l’expression des nétrines et leurs récepteurs dans la rétine de souris adulte. Alors qu’aucune expression de la nétrine-1 n’a été détectée dans la rétine adulte, l’expression de la nétrine-3 a été abondamment détectée au niveau des CGR et des cellules amacrines. Nous démontrons aussi que les récepteurs des nétrines sont exprimés dans la rétine adulte. Alors que DCC semble être confiné au niveau des axones des CGR, néogénine est retrouvé dans les dendrites des CGR et des cellules horizontales. Quant aux protéines de la famille des récepteurs homologues à UNC-5, UNC5B a été détecté dans les somas des CGR et UNC5C dans les cellules de Müller. La découverte que nétrine-3 et ses récepteurs sont abondamment exprimés dans plusieurs types cellulaires de la rétine adulte leur suggère un rôle dans le fonctionnement du système visuel mature. / The netrins are a small family of axonal guidance proteins that can attract or repulse growing axons during neural development. During development of the retina, retinal ganglion cells (RGCs) axons are attracted by a netrin source at the optic disc that permits them to exit the retina and form the optic nerve. To characterise the role of netrins in the adult visual system, we investigated the expression of netrins and their receptors in the adult mouse retina. While expression of netrin-1 has not been detected in the adult retina, netrin- 3 has been abundantly found in RGCs amacrine cells. We also demonstrate that netrin receptors are expressed in the adult retina. DCC was found to be restricted in RGCs axons and neogenin in dendrites of RGCs and horizontal cells. UNC5B proteins were detected at RGC soma and UNC5C proteins in the Müller cells. The finding that netrin-3 and its receptors are abundantly expressed in many cell types of the adult retina suggests a funtional role for them in the mature visual system.

Thèse numérisée par la Direction des bibliothèques de l'Université de Montréal.

Les hallucinations visuelles (HV) sont un symptôme psychotique commun retrouvé de manière transdiagnostique dans les troubles de la vision, les troubles neurologiques et les troubles psychiatriques. Les différents modèles cognitifs des HV s’accordent sur la présence d’une perturbation du traitement de l’information visuelle bottom-up et des processus tardifs top-down pour expliquer la survenue des HV. Dans un première partie de notre travail, nous avons étudié les caractéristiques communes entre les pathologies caractérisées par la présence d’HV et avons constaté que toutes présentent des anomalies structurales ou fonctionnelles de la rétine mais que peu d’études ont exploré le lien entre anomalies fonctionnelles de la rétine et HV. Nous avons ensuite étudié le fonctionnement de la rétine chez des patients souffrant de schizophrénie présentant ou non des HV. Nos résultats ont montré la présence d’anomalies fonctionnelles touchant le système des photorécepteurs et les cellules ganglionnaires de la rétine chez les patients souffrant de schizophrénie et des anomalies fonctionnelles du système des bâtonnets spécifiquement chez les patients présentant des HV. Les anomalies du traitement sensoriel sont une condition nécessaire mais insuffisante pour expliquer la survenue des HV. Ainsi nous avons exploré l’influence du traitement des émotions dans les HV, par une tâche d’amorçage émotionnel sur le traitement de stimuli ambigus chez des sujets sains prônes aux hallucinations et des patients souffrant de schizophrénie. Les premiers résultats intermédiaires présentés montrent en partie que la manipulation d'une amorce émotionnelle pourrait influencer la perception de stimuli ambigus chez les sujets sains prônes aux hallucinations. Ces arguments sont à confirmer par un nouveau protocole de recherche à adapter. Nos résultats nous permettent de discuter l’adaptation d’un modèle des HV dans la schizophrénie. / Visual hallucinations (VH) are a common psychotic symptom present in eye disease, neurological disorders and psychiatric disorders. Cognitive models of VH postulate the disruption of both bottom-up visual information processing and late top-down processes to explain the emergence of VH. In the first part of our work, we have reviewed the common characteristics between pathologies characterized by VH. We have found that structural or functional abnormalities of the retina were systematically present, but few studies have explored the link between these abnormalities and VH. Hence, we have explored the retinal functions in schizophrenia patients with or without VH. We have found photoreceptors and retinal ganglion cells abnormalities in patients with schizophrenia and abnormalities of the rod system specifically in patients with VH. Abnormalities of sensory processing are a necessary but insufficient condition to explain the occurrence of VH. Thus, we have explored the influence of emotion processing in healthy hallucinations prone subjects and schizophrenia patients in an emotional priming task requiring the treatment of ambiguous stimuli. We expose intermediate results which show that the manipulation of an emotional primer can influence the perception of ambiguous stimuli in healthy hallucinations prone subjects. These results need replications in a new research protocol. Our results allow us to discuss the adaptation of a model of VH in schizophrenia.

Dans les pays industrialisés, les pathologies oculaires à composante vasculaires, que ce soit la rétinopathie du prématuré (ROP), la rétinopathie du diabétique ou la dégénérescence lié à l’âge, représentent la première cause de cécité respectivement chez l’enfant, l’adulte et la personne âgée. Plusieurs études sur l’homme ou sur des modèles animaux ont souligné le rôle crucial joué des acides gras polyinsaturés (AGPI) au cours de ces rétinopathies et notamment l’action préventive des acides gras polyinsaturés oméga 3 (AGPI n-3) sur l’angiogenèse pathologique. Ces AGPI sont estérifiés dans les glycérophospholipides constituant les membranes cellulaires. On les retrouve également dans une classe particulière de glycérophospholipides, les plasmalogènes. La particularité des plasmalogènes réside dans leur liaison vinyl-éther en position sn-1 au lieu d’une liaison ester dans les autres glycérophospholipides. Les AGPI sont libérés des plasmalogènes par une phospholipase indépendante au calcium, la iPLA2, pour devenir des métabolites actifs. Les plasmalogènes via la libération des AGPI joueraient un rôle dans la mise en place et la maturation du réseau vasculaire rétinien et ce, notamment grâce à la bonne mise en place du réseau astrocytaire. Les astrocytes et les cellules de Müller sont les cellules macrogliales qui servent de soutien physique et métabolique à la rétine. De plus, les cellules de Müller participent au métabolisme des lipides. L’objectif de ce travail de thèse a été d’évaluer l’implication des plasmalogènes dans le métabolisme des cellules de Müller et des astrocytes mais aussi dans la communication entre ces cellules macrogliales. Nous avons également étudié le profil lipidique d’enfants prématurés pour mettre en évidence de potentielles altérations du métabolisme des plasmalogènes chez des nouveau-nés développant une rétinopathie à composante vasculaire, la rétinopathie du prématuré (ROP). Pour ce faire nous avons étudié les effets d’une diminution en plasmalogènes et/ou en iPLA2 sur des cellules de Müller en culture primaire après avoir préalablement vérifié l’expression de l’enzyme clef de la biosynthèse des plasmalogènes. Nous avons ensuite étudié les effets d’une diminution des teneurs en plasmalogènes sur la communication calcique entre les cellules de Müller et les astrocytes. Nos résultats ont montré que les cellules de Müller expriment l’enzyme-clé de synthèse des plasmalogènes et que ces cellules sont plus riches en plasmalogènes que la rétine entière. Les plasmalogènes seraient impliqués dans le contrôle de la migration des cellules de Müller par l’action de la voie ERK1/2 MAPK. Ces effets ne semblent pas passer par la libération des AGPI. De plus nos résultats suggèrent une dégradation de la communication entre les astrocytes et les cellules de Müller en cas de diminution des teneurs en plasmalogènes dans les cellules de Müller. Enfin chez l’homme nous avons mis en évidence une accumulation des AGPI n-6 au détriment des AGPI n-3 dans les érythrocytes des enfants développant une rétinopathie du prématuré et inversement dans le groupe d’enfants prématuré contrôle. L’ensemble de ces travaux confirme l’importance du métabolisme lipidique, et plus particulièrement celui des plasmalogènes, sur le fonctionnement de la rétine. / Retinal vascular disorders such as retinopathy of prematurity (ROP), diabetic retinopathy or age-related macular degeneration represent the first cause of vision loss at all ages in industrialized countries. Many epidemiological or animal studies have shown the involvement of polyunsaturated fatty acids (PUFA) in the regulation of vascular development and more specifically the beneficial properties of omega 3 PUFA (n-3 PUFA) against pathological vascularization. Those PUFA are esterified on glycerophospholipids (GP). GP are the primary constituents of the lipid bilayer of cell membranes. PUFA can be also esterified on a specific class of GP, called plasmalogens. Plasmalogens are characterized by the presence of a vinyl ether linkage at the sn-1 position of glycerol instead of an ester linkage as seen in other GP. PUFA are released from plasmalogens by a calcium-independent phospholipase (iPLA2). Free PUFA can be converted into biologically active metabolites. Plasmalogens may have an impact on the development and the maturation of retinal vascular network through the PUFA they release through the control of astrocyte template formation prior to vessel formation. Astrocytes and Müller cells are macroglials cells providing physical and metabolic supports to the retina. Müller cells are key actors of the retinal lipid metabolism. The aim of this work was to evaluate the involvement of plasmalogens in Müller cells and astrocytes metabolism as well as in the ability of these cells to communicate. On one hand, we have studied the effects of a decrease in plasmalogen biosynthesis and/or in iPLA2 activity on Müller cell physiology. Müller cells express a biosynthesis key enzyme of plasmalogen and reducing the biosynthesis of plasmalogens affects Müller cell ability to migrate through the ERK1/2 MAPK signalling. In a second series of studies, we studied the repercussions of such modifications on Müller cell physiology on their ability to communicate with retinal astrocytes through calcium signalling. Our results suggest that affecting plasmalogen metabolism in Müller cells alters the communication between astrocytes and Müller cells. Finally, and in order to investigate whether plasmalogen metabolism may be modified in a human disease displaying abnormal retinal vascular development, we performed a lipidomic study of circulating lipids in infants affected by retinopathy of prematurity. ROP was characterized by the accumulation of n-6 PUFA at the expense of n-3 PUFA, these changes being associated to plasmalogens. All these experiments confirm the importance of lipid metabolism, and especially plasmalogens, on the retina functioning.